為太陽能日光燈設計市電供電的備用照明系統

作者 : Vijay Deshpande,電子硬體工程師

本文為使用在建築物中的現有市電提出兩種備用系統:基於繼電器的開/關(ON/OFF)備用照明系統;基於PWM的強度控制備用照明系統...

使用簡單、可靠且低成本的太陽能日光燈(Solar Day Lamp;SDL),有助於減少每月的電費。太陽能日光燈沒有任何儲能元件,在陰天時會遭受光強度的頻繁變化。此外,日落後需要使用備用燈。

使用在建築物中的現有市電,可以提供備用照明。這是一種簡單、低成本的方案。本文提出兩種類型的備用系統:

  1. 基於繼電器的開/關(ON/OFF)備用照明系統;
  2. 基於脈衝寬度調變(PWM)的強度控制備用照明系統。

使用4個太陽光電(PV)面板的太陽能日光燈,在「提供低成本照明解決方案的太陽能日光燈設計,第1部份」(Solar day lamp designs provide low-cost lighting solutions, Part 1)一文中已有所描述。根據太陽光的強度,以4個太陽能板串聯起來的電壓VPV從60V到70V不等,輸出功率則從4W到40W不等。這種PV功率的變化,大幅地改變了LED的光強度。為了克服這個問題,本文介紹其備用系統的設計。

/關備用系統

由市電供電的備用燈安裝在太陽能日光燈附近或同一外殼中。這種燈的運作主要根據使用者所設置的太陽能日光燈之光強度等級。備用燈的接線圖如1所示。

圖1:備用燈接線圖。

備用燈透過手動ON/OFF開關和固態繼電器(Solid State Relay;SSR)連接到市電。小型AC-DC轉換器連接到市電,以取得控制電源(VCC=5V,約幾毫安培)。

2給出了電路圖。其中,太陽能日光燈使用4個串聯的太陽能板運作。每個面板產生17.5V電壓。電壓VPV使用光耦合器IC1(MCT2E)進行檢測。為了限制通過IC1光電二極體的電流,電路中串聯了限流電阻R1、R2、R3 (POT)和兩個齊納二極體ZD1和ZD2。電位器R3供用戶設置所需的太陽能日光燈光強度,在這種情況下,備用燈應該打開。

圖2:使用SSR的開/關備用電路之電路圖。

在VPV=70V時:

最小光電二極體電流=(VPV–VZD1-VZD2-VD)/(R1+R2+R3)=1.46mA
最大光電二極體電流=(VPV–VZD1-VZD2-VD)/(R1+R2)=4.77mA

光電二極體的額定正向電流為20mA。因此,電流完全在額定值內,並且在光電二極體特性出色的線性區域內。

電阻器R4連接到光電電晶體的發射極(接腳4)。發射極電壓採用IC2 (LM393)的比較器CMP1進行檢測。發射極連接到CMP1的反相輸入端。同相輸入則使用R5和R6電位分壓器保持在VCC/2。當發射極電壓低於VCC/2時,CMP1輸出變成高電平。連接在輸出(接腳1)上的SSR被打開。

為了減少SSR的抖動,必須引入遲滯。當SSR導通時,接腳1上的電壓被箝位在3V左右。因此,接腳1不能產生有效的遲滯。為此,電路中採用了CMP2。CMP2的INV接腳6保持在大約2V。當接腳1為高電平時,CMP2接腳7上的輸出也為高電平(5V)。當接腳1變成低電平時,CMP2輸出也變成低電平。電阻器R12在接腳3上引入了所需的遲滯。可以為VPV添加大容量電容器C1 (10000μF/100V)。這樣可以將VPV上的短期波動濾除掉。但是,C1會增加成本。如果遲滯消除了抖動,則可以將C1設為可選。

注意:光耦合器的電流傳輸比(CTR)因元件而異。這會影響R4的阻值。因此,建議為R4選用微調電位器,據此設置所需的發射極電壓值。

只要太陽能日光燈的光強度低於用戶所設置的極限值,這個簡單的電路就會提供良好的備用照明。可控制的備用燈數量由SSR的額定電流所決定。它可以被應用在倉庫、辦公室接待處、洗手間等地方。

基於PWM的備用系統

採用PWM訊號的備用系統,其電路圖如3所示。

圖3:基於PWM的備用系統電路圖。

該圖中僅給出了PWM訊號產生部份。光耦合器MCT2E之前的PV介面電路仍與2所示相同。在該電路中,IC3 (LM3524)用於產生PWM。該IC有一個內部運算放大器(接腳1、2和9)。在此使用10kΩ、1%的電阻R25、R26、R27和R28將其配置為單位增益差分放大器。

IC3的反相接腳1透過R27連接到光電電晶體的發射極。同相接腳2則透過R25連接到VCC。PWM訊號由IC3的兩個輸出電晶體產生。這兩個電晶體的發射極EA和EB可提供PWM輸出。當光電電晶體發射極電壓為零時,PWM訊號具有100%的工作周期。隨著光電電晶體發射極電壓的增加,PWM工作周期不斷降低。4顯示工作周期隨發射極電壓的變化。

該方案使用具有PWM控制輸入的調光燈。這種燈可產生與PWM工作周期成正比的光強度。隨著太陽能日光燈強度降低,PWM工作周期增加,因而使備用燈強度增加。兩個燈的強度之和是恒定的。因此,無論陽光條件如何,用戶始終可以確保獲得恒定的光輸出。因此,該系統可提供恒定光,同時可最大限度地節省電力。

因此,本文所推薦的備用照明系統消除了太陽能日光燈的缺點,而且無需昂貴的電池和維護。

值得注意的是,PWM訊號必須分配給所有的備用燈。因此,必須為每盞燈使用一個光耦合器來隔離PWM訊號。

圖4:PWM工作周期(黃色曲線)隨發射極電壓(藍色曲線)的變化。

使用以上兩種方案,無論陽光條件如何,都可以為用戶提供具有保證的光量。這將有助於盡可能地利用太陽能,而不至於影響性能。此外,由於是離網工作,太陽能日光燈有助於降低原已負擔過重的電網負載。總而言之,帶有市電備用系統的太陽能日光燈,有助於為家庭、辦公室、公司、醫院、倉庫等提供低成本的照明解決方案。

(參考原文:Mains powered backup lights for solar day lamps,by Vijay Deshpande)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年3月號雜誌

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